Žilinská univerzita Dipl omová práca KOAdiplom.utc.sk/wan/2338.pdf · 2008. 10. 27. · Žilinská univerzita Dipl omová práca KOA 6 1 Úvod Pod pojmom mobilný robot (ďalej

Žilinská univerzita Diplomová práca KOA

1


2

MIESTOPRÍSAŽNÉ PREHLÁSENIE

„ Miestoprísažne prehlasujem, že som celú diplomovú prácu, vrátane všetkých príloh vypracoval samostatne. “

V Žiline, 20.5.2008 .................................. vlastnoručný podpis


3

Anotačný záznam Návrh senzorického subsystému pre mobilný robot Strojnícka fakulta Katedra obrábania a automatizácie Meno priezvisko: Ivan Daniš Rok: 2008 Počet strán: 45 Počet obrázkov: 26 Počet tabuliek: 0 Počet grafov: 0 Počet príloh: 4 Použitá literatúra: 19 Kľúčové slová: Mobilný robot, senzorický subsystém, snímač. Anotácia v slovenskom jazyku:

Táto diplomová práca je zameraná na návrh senzorického subsystému pre mobilný

robot. V prvej časti je popísané rozdelenie a použitie mobilných robotov. Nasleduje

stručný prehľad súčasného stavu v mobilnej robotike. Ďalšia kapitola je venovaná

rozdeleniu snímačov v mobilnej robotike a ich použitiu pri stavbe mobilného robota. V

poslednej kapitole sú návrhy rozmiestnenia senzorického subsystému na mobilnom robote

ako aj stručný popis využitých snímačov.

Keyvords: Mobile robot, sensoric subsystem, sensor. Anotácia v anglickom alebo nemeckom jazyku: Goal of diploma work is to designate sensoric subsystem for mobile robot. In first section

is described map of mobile robots application. It is followed by short description of current

status in mobile robots department. Next section is dedicated to description of sensors at

mobile robotics department and its usage in mobile robot designation. Last section contains

layouts designs of parts of sensorics subsystem used ay mobile robot and short description

of used sensors.

Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Juraj Uríček, PhD. Školiteľ: Oponent: Dátum odovzdania práce: 20. 5. 2008


4

Zoznam použitých skratiek a symbolov D/A prevodník – Digitalný/Analógový prevodník

GM - General Motors

IR – Infračervený (Infra Red)

MR – Mobilný robot

RUR - Rossum's Universal Robots

TTL – Tranzistor Tranzistor Logic

USB - Univerzálna sériová zbernica (Universal Serial Bus)

PC - Počítač


5

Obsah

1 Úvod................................................................................................................................... 6

2 Rozdelenie robotov .......................................................................................................... 8

2.1 Rozdelenie podľa prostredia ..................................................................................... 11

2.2 Rozdelenie podľa pohybového subsystému .............................................................. 12

2.2.1 Mobilné roboty na kolesovom podvozku ......................................................... 12

2.2.2 Kráčajúce mobilné roboty .................................................................................14

3 Prehľad súčasného stavu v oblasti riadenia mobilných robotov …………………...22

3.1 Spôsoby riadenia kolesových robotov ........................................................................22

3.2 Spôsoby riadenia kráčajúcich robotov ...................................................................... 22

4 Rozdelenie snímačov ..................................................................................................... 24

4.1 Interné snímače ......................................................................................................... 25

4.1.1 Snímače natočenia ........................................................................................... 25

4.1.2 Otáčkomery .................................................................................................... 29

4.2 Externé snímače ........................................................................................................ 31

4.2.1 Kontaktné snímače ........................................................................................... 32

4.2.2 Infračervený snímač ......................................................................................... 33

4.2.3 Ultrazvukové snímače ...................................................................................... 35

4.2.4 Laserový snímač ............................................................................................... 36

4.3 Kognitívne ................................................................................................................. 36

4.3.1 WEB Kamera ................................................................................................... 37

5 Návrh senzorického subsystému pre trojkolesový MR s diferenčným riadením ... 39

5.1 Charakteristika trojkolesového mobilného robota .................................................... 39

5.2 Návrh senzorického subsystému pre trojkolesový mobilný robot ............................ 40

5.2.1 Návrh interných snímačov ............................................................................... 41

5.2.2 Návrh druhu a rozmiestnenia externých snímačov .......................................... 41

5.2.3 Popis jednotlivých použitých snímačov ........................................................... 45

6 Záver a zhodnotenie ...................................................................................................... 49

7 Zoznam použitej literatúry ........................................................................................... 50

8 Zoznam príloh ................................................................................................................ 51


6

1 Úvod Pod pojmom mobilný robot (ďalej MR) si každý človek predstaví niečo iné. Niekto

si predstaví robotov z filmov ako sú Číslo päť žije, Robocop, Terminátor, Transformers,

ale v jednom sú si tieto predstavy podobné. Ide o robotickú stavbu s inteligenciou

a možnosťou pohybovať sa. Existuje množstvo definícií robota, s ktorých pre názornosť

uvediem už klasickú Havlovu definíciu (Havel, 1980): Robotom rozumieme počítačom

riadený integrovaný systém, schopný autonómnej a cieľovo orientovanej interakcie

s reálnym prostredím v súlade s inštrukciami človeka.

História a vývoj robotiky

V 18. storočí sa v Európe vyrábali na zábavné účely mechanické bábky (automaty),

ktoré boli skonštruované zo spojov a hriadeľov, riadené rotujúcim bubnovým

konvertorom. Ďalší významný pokrok v technológii urobil v roku 1801 Joseph Maria

Jacquard, keď objavil automatické ťahacie krosná. Ťahacie krosná pracovali na princípe

dierovacích kariet a používali sa na riadenie ťahania vlákna v textilných továrňach. Tieto

krosná boli vôbec prvým zariadením, ktoré bolo schopné uchovať program a riadiť

mechanizmus.

Začiatky, ale aj neskoršie vývojové obdobia robotiky, sú spojené s rozvojom robo-

tiky v General Motors (GM). V roku 1961 bol v GM inštalovaný prvý robot Unimate na

obsluhu lisu - odoberanie súčiastok. GM prvýkrát inštaloval dva roboty pre technológiu

bodového zvárania v r. 1967. V nadväznosti na to vznikla prvá linka s 28 robotmi pre

bodové zváranie a do prevádzky bola uvedená v roku 1970. V 80. rokoch až do začiatku

90. rokov minulého storočia počet inštalovaných robotov dosahoval nárast na úrovni dvoj-

násobku za každé 3 roky. V rokoch 1992 - 1994 však došlo k stagnácii a štatistika zazna-

menala až 30 % pokles výroby oproti predpokladu prognózy. Ako dôvod sa uvádza nasý-

tenosť v tradičných oblastiach aplikácie, ako bodové zváranie, strihanie a obsluha lisov.

Výrobcovia na tento vývoj reagovali dramatickým znížením cien robotov, čo následne

otvorilo oblasť ich nasadenia aj pre menšie prevádzky, ale tiež investičnú výmenu starých

robotov za nové. Nové prístupy oblasti aplikácií v následnom období sa dynamicky rozši-

rujú. Využitie robotov prechádza od klasických strojárskych aj do nestrojárskych oblastí a

oblastí „nepriemyselných“ a služieb. Tieto trendy ústia do vývoja a konštrukcie nových

kategórií a nových generácií robotov. Novou kategóriou robotov sa stávajú servisné

roboty, ktorým sa pripisuje veľká perspektíva a výrazný dynamický vývoj. Ich rozvoj je


7

podporovaný na jednej strane neatraktívnosťou pracovnej aktivity človeka v určitých

profesných oblastiach, na druhej strane je to odôvodňované aj tým, že v súčasnosti sa

zaznamenáva éra všeobecného rozvoja ľudských zdrojov.

Názov pre robotiku, používaný celosvetovo, dal tomuto odvetviu už v roku 1921

český spisovateľ Karel Čapek vo svojej hre RUR (Rossum's Universal Robots). V hre

vystupujú stroje podobné človeku, ale pracujúce dvakrát ťažšie než človek. Slovo robot

označuje „stroj na prácu“ a je odvodené od slova robota.

Významný prínos do robotiky zaviedol aj spisovateľ sci-fi Isaac Assimov v roku

1950 sformulovaním troch zákonov robotiky:

� Prvý zákon: Robot nikdy neublíži človeku, ani nepripustí, aby sa človeku ublížilo.

� Druhý zákon: Robot musí plniť príkazy človeka, ak to nie je v rozpore s prvým

zákonom.

� Tretí zákon: Robot musí chrániť svoju existenciu, ak to nie je v rozpore s prvým a

druhým zákonom. [4]

Ciel diplomovej práce

Cieľom je navrhnúť senzorický subsystém pre trojkolesový mobilný robot

s diferenčným riadením. Spracovať rozdelenie mobilných robotov a súčasný stav s oblasti

ich využitia v priemysle a v domácnostiach. Navrhnúť varianty rozmiestnenia snímačov na

trojkolesovom diferenčne riadenom podvozku.


8

2 Rozdelenie robotov

Základné členenie robotov všeobecne je na stacionárne a mobilné. Medzi stacio-

nárne roboty môžeme zaradiť sériové a paralelné štruktúry.

Sériové stacionárne roboty

Oblasť sériových stacionárnych robotov je v súčasnej dobe značne prepracovaná a

nasadenie tohto druhu robotov je hlavne vo výrobných aplikáciách. Preto sa tieto roboty

označujú aj ako priemyselné roboty a manipulátory. Ide o rozsiahlu skupinu robotov

zabezpečujúcich obslužnú, manipulačnú, montážnu, atď. činnosť, ktorá vo väčšine

uľahčuje prácu človeka alebo ho celkovo v nej zastúpi. Nahradzujú ľudský faktor aj pri

monotónnych prácach a prácach bez možnosti kreativity. Ich výhodou je značné skrátenie

výrobných časov, schopnosť manipulácie s ťažkými predmetmi, požadovaná presnosť

uloženia,atď.. Nie všade sa dá však ľudský faktor odstrániť a je snaha vytvoriť čisto

robotizovanú fabriku. Najväčšie uplatnenie majú v automobilovom priemysle, kde tvoria

už celé výrobné linky a sú napr. „nenahraditeľné“ pri bodovom zváraní. Príkladom je

zvárací robot AX-MV6L od japonskej spoločnosti OTC Daihen, ktorý je určený do

nepretržitej prevádzky.

Japonská spoločnosť OTC Daihen uviedla v roku 2004 na trh novú sériu robotov

pod označením AX. Táto séria prináša mnoho zlepšení v podobe zvýšenia výkonnosti,

flexibilnosti či zjednodušenia obsluhy a údržby. Zo širokej ponuky zváracích robotov

možno spomenúť robot AX-MV6L (obr. 2.1). Tento robot je určený na zváranie metódami

MIG/MAG alebo TIG. Je vybavený dlhým ramenom, ktoré rozširuje operačný rozsah

robota až na 2 006 mm. Opakovateľná presnosť polohovania robota je ±0,1 mm. Je to

nameraná hodnota získaná po dostatočnom počte opakovaných automatických operácií.

Užitočné zaťaženie robota je 12 kg. Inštalácia robota je možná na podlahe, strope

(zavesením) či kolmej stene. Všetky roboty od spoločnosti OTC Daihen sú skonštruované

na nepretržitú prevádzku.


9

Obr.2.1 Zvárací robot AX-MV6L

Paralelné stacionárne roboty

Oblasť robotov postavených na koncepcii paralelnej kinematickej štruktúry (tripod,

hexapod) sa len rozvíja a pracuje sa hlavne na zdokonaľovaní ich riadiacich systémov.

K prednostiam tejto koncepcie robotov patrí napr. presnosť do 0,0025 mm, vyššia

rýchlosť pohybov (až trojnásobná) pri vysokých hodnotách zrýchlenia, pomer nosnosti k

vlastnej hmotnosti je 1 : 1,7 (pri tradičných kĺbových robotoch je to pomer 1 : 10) atď..

Roboty s paralelnou kinematickou štruktúrou sa vďaka svojej pevnosti koncepčne

presadzujú aj ako „obrábacie stroje“, kde namiesto uchopovacej hlavice nesú

technologickú jednotku. Prognóza ich aplikácií smeruje do oblasti montážnych úloh a

všeobecných úloh, ktoré vyžadujú vysokú presnosť, ako sú napr. operačné zákroky v

medicíne [5].

K základným vlastnostiam paralelnej kinematickej štruktúry patrí vlastná kinema-

tická stavba mechanizmu. Kinematickú štruktúru tvorí uzavretý priestorový reťazec.

Výsledný pohyb vzniká vysunutím niektorého, alebo súčasným pohybom viacerých prútov

mechanizmu. Vysunutie jedného prútu ovplyvňuje polohu ostatných prútov.


10

Jedno z najpoužívanejších prevedení paralelných kinematických štruktúr je hexa-

pod. Svojou konštrukciou je definovaný ako šesť teleskopických prútov s premenlivou

dĺžkou, ktoré spájajú pevnú platformu alebo základňu s platformou pohyblivou, ktorú

ovládajú pomocou akčných členov. Všetky spojenia medzi prútmi a plošinami sú realizo-

vané pomocou guľových alebo kardanových kĺbov s minimálne dvomi stupňami voľnosti.

Mnoho výrobcov paralelných mechanizmov má svoje vlastné návrhy prútov a kĺbov a to

podľa toho, aké vlastnosti daného stroja chcú uprednostniť. Na pohybujúcu platformu sa

inštaluje vreteno s nástrojom, efektor alebo iné zariadenie. Konštrukcia hexapodu zhoto-

vená na KOA ŽU je zobrazená na obr. 2.2 [7].

Obr. 2.2: Konštrukcia hexapodu

Ďalšia časť tejto kapitoly bude venovaná mobilným robotom. Každý mobilný robot

je v podstate originál, t.j. jediný svojho druhu. Rozdelenie mobilných robotov je teda

možné z viacerých hľadísk.


11

2.1 Rozdelenie pod ľa prostredia

Podľa prostredia, v ktorom sa mobilné roboty pohybujú, ich môžeme deliť na dve

základné skupiny – mobilné roboty pre vonkajšie prostredie a mobilné roboty pre vnútorné

prostredie.

� vonkajšie (outdoor) prostredie – mobilné roboty sú konštruované na použitie

mimo budovy a pohybujú sa v členitom teréne, ako je napríklad pole, les, skaly a pod. Od

MR používaných vo vnútorných prostrediach sa líšia najmä robustnosťou celej

konštrukcie, výkonnejšími pohonnými jednotkami, majú zložitejší navigačný systém

(pokiaľ nie sú riadené diaľkovo človekom – supervízorom), odlišnejší spôsob napájania a

množstvo ďalších vecí, ktoré súvisia s rozdielnosťou prostredia, v ktorom sa pohybujú.

� vnútorné (indoor) prostredie – do tejto skupiny patria MR, ktoré sa pohybujú len

v budovách, nádržiach, rozsiahlych potrubiach a pod, kde sa nevyskytujú príliš vysoké

prekážky (cca do 5 cm). Táto skupina sa ďalej rozdeľuje na automatické dopravné vozíky

(ADV) a autonómne lokomočné roboty (ALR).

Mobilné roboty je možné deliť podľa prostredia aj nasledovne:

� vodné – plávajúce a podvodné

� vzdušné – lietajúce

� pozemné – kolesové, pásové, kráčajúce, plazivé, skákajúce

� oblasť domáceho prostredia – domáce práce, obslužné práce, pomocné práce

� oblasť osobného životného prostredia – protetické zariadenia, osobná obsluha,

zábava

� oblasť verejného prostredia – čistenie a upratovacie práce, monitoring, dohľad nad

verejným poriadkom

� oblasť nebezpečného prostredia – chemické a rádioaktívne prostredia, deštrukčné

práce, policajné a vojenské aplikácie, protipožiarne práce


12

2.2 Rozdelenie pod ľa pohybového subsystému Pod pojmom pohybový subsystém je možné chápať akýkoľvek spôsob pohybu

MR. MR sa môže pohybovať rôznymi spôsobmi, najčastejšie ide o pohyb MR na

kolesovom podvozku a o kráčajúce MR. Ich delenie a využitie je popísané v nasledujúcich

kapitolách.

2.2.1 Mobilné roboty na kolesovom podvozku

Kolesové mobilné roboty sa dnes vyrábajú ako unikátne prototypové konštrukcie,

ktoré vyplývajú z konštrukčných požiadaviek od konečného používateľa. Niektoré časti sú

zhodné so stacionárnymi robotmi (ako napr. manipulátory, snímače a pod.), ale môžeme

nájsť aj špecifické časti len pre mobilné roboty ako je:

� pohybový subsystém,

� navigačný subsystém.

Jednokolesové a dvojkolesové mobilné roboty

V oblasti jednokolesových mobilných robotov sa jedná hlavne o konštrukcie

využívané na laboratórny výskum. Ako príklad je možné uviesť Gyrover (obr. 2.3). Koleso

je staticky nestabilné, avšak už pri miernej rýchlosti dopredu sa stáva dynamicky stabil-

ným. Dynamická stabilita sa zväčšuje so zväčšujúcou sa rýchlosťou. Koleso je gyrosko-

picky vyvažované, aby nedošlo k jeho sklopeniu. Jednokolesový robot môže zachovať

zvislý smer aj pri bočnom pohybe po naklonenej rovine, čo je značná výhoda v porovnaní s

viackolesovými podvozkami. Zatáčanie kolesa je realizované jeho naklonením. V smere

dopredného pohybu je koleso málo citlivé na nerovnosti terénu, čo má za následok vysoko

stabilný odvalujúci sa pohyb jednokolesového robota.

Obr. 2.3 Gyrover


13

Ďalšie výhody jednokolesových robotov v porovnaní s viackolesovými robotmi:

� robot nemá žiadny rám, na ktorom by mohol ostať visieť pri prekonávaní prekážky

� celý mechanický systém robota môže byť zapuzdrený do uzavretého krytu vo

vnútri kolesa

� robot zabočuje len naklonením a nepotrebuje žiadny zložitý mechanizmus riadenia,

čo zlepšuje jeho manévrovacie schopnosti

� robot vykazuje minimálny jazdný odpor a má dobré aerodynamické vlastnosti

� robot sa môže dobre pohybovať na mäkkých pôdach, piesku, snehu alebo na lade,

môže prechádzať cez krovie a rastliny alebo sa pohybovať po vodnej hladine

Mobilné roboty s dvojkolesovým pohonným subsystémom predstavujú spolu s

jednokolesovými robotmi konštrukcie prevažne využívané pre laboratórny výskum. Robot

je staticky nestabilný a je potrebné ho neustále gyroskopicky vyvažovať. V súčasnosti exis-

tuje množstvo rôznych konštrukcií. Z hľadiska usporiadania kolies môžu existovať dva

typy týchto robotov, a to so sériovým alebo s paralelným usporiadaním [2].

Trojkolesové a štvorkolesové mobilné roboty

Táto skupina mobilných robotov predstavuje najpočetnejšiu skupinu kolesových

robotov. Tieto roboty sú staticky aj dynamicky stabilné a nie je u nich potrebné realizovať

gyroskopické vyvažovanie.

V prípade kolesových mobilných robotov je prvotným problémom navrhnúť

koncepciu (usporiadanie) kolesového podvozku, počet a usporiadanie hnacích, hnaných a

smerových kolies. Ďalej určenie hnacieho krútiaceho momentu a výkonu zvolenej

pohonnej jednotky. Štyri kolesá zaisťujú vyššiu stabilitu, zvlášť ak sú všetky aj poháňané.

Toto riešenie je ale konštrukčne zložitejšie. Trojkolesové podvozky sú konštrukčne

jednoduchšie, majú nižšiu hmotnosť a lepšiu možnosť navigácie. Zložitejšie sa však riadia

do požadovaného smeru. Kolesá väčších priemerov dovoľujú prekonať aj menšie prekážky

ležiace na podlahe (prahy, káble a pod.) do výšky cca 10 cm. Do úvahy treba ale brať

zvýšenie ťažiska podvozku, spôsobené zväčšením priemeru kolesa, čo má za následok

zhoršenie jazdných vlastností a zníženie presnosti polohovania.


14

2.2.2 Kráčajúce mobilné roboty

V oblasti mobilných robotov zastávajú kráčajúce roboty významné postavenie.

Uplatnenie nachádzajú v rôznych aplikáciách od priemyselných, cez domáce až po apliká-

cie v zdravotníctve. Využívajú sa na prieskum neznámeho terénu, odber vzoriek hornín,

manipuláciu s rôznymi predmetmi, ale aj na vykonávanie rôznorodých úloh v prostredí

nebezpečnom pre človeka. Vzhľadom a spôsobom chôdze môžu napodobňovať hmyz,

rôzne zvieratá, prípadne aj človeka. Prvé konštrukcie kráčajúcich robotov vznikali už v

osemnástom storočí, no jednalo sa len o veľmi jednoduché zariadenia. V súčasnosti sú

kráčajúce roboty oveľa dokonalejšie a dosahujú aj vo veľmi zložitom teréne značnú

pohyblivosť. Prekážky už dokážu prekonávať mnohé konštrukcie kráčajúcich robotov a v

niektorých prípadoch si robot sám vyberá spôsob prekonania prekážky. V prípade prevrh-

nutia robota sa dokáže sám opäť postaviť na nohy.

Typ konštrukcie a počet nôh kráčajúceho robota je závislý od viacerých faktorov,

no zvlášť od terénu, v ktorom sa bude pohybovať a taktiež od spôsobu využitia, celkového

zaťaženia a od zariadení, ktoré budú na konštrukcii nainštalované. Z počtu nôh vyplýva

spôsob chôdze robota.

Rozdelenie kráčajúcich robotov podľa počtu nôh:

� dvoj nohé

� troj nohé

� štvor nohé

� šesť nohé

� sedem nohé

� osem nohé

Najviac konštrukcií kráčajúcich robotov je v súčasnosti šesť nohových.

Kráčajúce roboty je možné deliť aj podľa rôznych iných kritérií, napríklad:

� rozdelenie podľa krajiny pôvodu (USA, Japonsko, Nemecko a pod.)


15

� rozdelenie podľa typu konštrukcie nohy – vhodne zvolená konštrukcia nohy má

značný vplyv na energetickú účinnosť systému. V prípade dvojnohých kráčajúcich robotov

môže mať noha až tridsať stupňov voľnosti. Počet stupňov voľnosti závisí najmä od

požadovanej obratnosti mobilného robota. Samotná konštrukcia nohy pripomína ľudskú

končatinu.

Základné kinematické štruktúry konštrukcie nohy štvor a viac nohého mobilného robota:

� dve rotačné kinematické dvojice

� dve translačné kinematické dvojice

� rovinný paralelogram

� priestorový paralelogram

Využitie mobilných robotov

Každý mobilný robot je v podstate jedinečný, t.j. jediný výrobok svojho druhu

určený na vykonávanie rozličných úloh. Je to dané hlavne tým, že sa doposiaľ tieto roboty

nevyrábali sériovo. Nové druhy MR vznikajú najmä na univerzitách po celom svete, kde

slúžia prevažne k výučbe, pri realizácii vedeckých úloh a experimentov. Vo väčšine

prípadov sú určené na riešenie problémov, spojených s ich navigáciou. Nie všetky MR

nájdu uplatnenie v praxi, a to najmä z dôvodu lacnej ľudskej pracovnej sily, nedôvery ľudí

k novým zariadeniam, ale aj z dôvodu vysokej ceny pohonov, riadiacich systémov MR,

softvéru a senzorov. Výnimkou je len pár aplikácii ako sú, automatické dopravné vozíky v

niektorých prevádzkach pri preprave materiálu a výrobkov, prieskumné a vojenské roboty

slúžiace na prácu v nebezpečnom a zdraviu škodlivom prostredí .

História vývoja nasadzovania robotov, charakterizovaná permanentným rastom,

zaznamenala v rokoch 1992 – 1994 pokles odbytu priemyselných robotov. Bolo to spôso-

bené najmä redukciou ich nasadzovania predovšetkým v automobilovom priemysle.

Významní výrobcovia robotov v obave z nasýtenia trhu priemyselnými robotmi začali viac

investovať do rozvoja robotiky pre oblasť služieb, servisných činností a rôznych ďalších

oblastí mimopriemyselných činností. Doterajšie skúsenosti dokazujú, že práve táto mimo-

priemyselná zóna otvára široké pole pôsobnosti robotiky. Tento trend má technickú

podporu v nebývalom rozvoji riadiacej a komunikačnej techniky, senzorov a pohonov.


16

Pozornosť sa sústreďuje najmä na mobilné roboty s rôznou manipulačnou a technologic-

kou nadstavbou. Uplatnia sa rovnako dobre v atómových elektrárňach, pri pomoci imobil-

ným a telesne postihnutým ľuďom, v medicíne, ako napr. aj pri upratovaní. V prevádzke sú

prototypy servisných robotov na tankovanie pohonných hmôt do automobilov, lietadiel, na

čistenie okien výškových budov. Iné opravujú fasády, prenikajú do prác pod vodou a v

neposlednom rade lietajú do vesmíru, kde sa stávajú nepostrádateľným zariadením

kozmických lodí pre rôzne montážne či opravárenské činnosti a pomocníkmi pre kozmo-

nautov. Novo vznikajúcou kategóriou robotov sú tzv. osobné roboty pre zábavu, voľné

chvíle, ale aj roboty ako partneri ľudí pri rôznych športoch a hrách.

Mobilne roboty majú v dnešnej dobe široké využitie v oblastiach poskytovania

služieb, automobilového, strojárenského, zdravotníckeho, vojenského atď. odvetví

priemyslu.

Využite kolesových mobilných robotov

V Zdravotníctve

Robotický kuriér HelpMate SP, určený na prepravu materiálu v zdravotníckych

zariadeniach, vyvinula spoločnosť HelpMate Robotics a v súčasnosti je v produktovom

portfóliu spoločnosti Pyxis. Do praxe bol ako prvý robot tohto typu nasadený už v roku

1989.

Obr. 2.4 Robotický kuriér HelpMate SP sa automaticky pohybuje po chodbách zdravot-

níckych zariadení a využíva aj výťahy, Využíva sa na presun zdravotníckeho materiálu.

Robot má pri hmotnosti 272 kg rozmery 81 * 89 * 142 cm. Jeho úložný priestor má

rozmery 60 * 66 * 40 cm. Maximálna hmotnosť nákladu je 90 kg. Na jedno nabitie robot

pracuje až 12 hodín, v praxi sa používa viacero akumulátorov, aby ich bolo možné simul-


17

tánne používať a nabíjať. V niektorých nemocniciach pracuje tento robot denne viac ako

20 hodín.

Pri svojom pohybe používa predprogramovanú mapu budovy, v ktorej sú zaznačené

dôležité miesta. Z nich možno robota privolať a naložiť mu náklad a súčasne možno určiť

niektorý z cieľových bodov, do ktorého má materiál autonómne presunúť. HelpMate SP sa

samostatne pohybuje rýchlosťou 60 cm/s po chodbách budov aj medzi stojacimi alebo

kráčajúcimi ľuďmi. Problém mu nerobí ani presun medzi poschodiami budov. Nedokáže

kráčať po schodoch, pohybuje sa totiž pomocou podvozka, využije však výťahy. Materiál

dokáže transportovať efektívnejšie ako ľudský personál, preto že je rýchlejší

a spoľahlivejší [e1].

V kozmickom priemysle

Kozmický robot - roku 1976 mäkko pristáli na povrchu Marsu dva moduly americ-

kých sond Viking bez ľudskej posádky. Tieto vesmírne roboty skúmali planétu a hľadali na

nej stopy života. Podobné vesmírne sondy - roboty plnia inštrukcie od operátorov zo Zeme,

samy však rozhodujú o tom, ako príkazy splnia.

Vojenské roboty

Z hľadiska mobility je preferencia pre lietajúce, ale veľmi užitočné sú aj pozemné.

� Bojové - pre priame bojové operácie, mobilné pre útok, pre obranu spravidla

automatizované guľometné polia, je tendencia robotizovať mobilné delostrelectvo

� Prieskumné

� Prepravné - napr. lietajúce dróny na prepravu malých množstiev munície (sú nená-

padnejšie).

� Odmínovacie - používané aj pri polícii

� Samovražedné - jazdiace alebo lietajúce inteligentné bojové hlavice - autonómne

alebo poloautonómne strely [e2].


18

Obr. 2.5 Príklady bojových MR

Domáce služby

Samsung VC-RP30W je robotický vysávač spoločnosti Samsung.

Model VC-RP-30W sa svojím tvarom podobá najznámejším robotickým

vysávačom Trilobite od Electroluxu a Roomba spoločnosti iRobot. Oproti starším

robotickým vysávačom však prináša niekoľko noviniek.

Na lepšiu navigáciu v prostredí si vytvára 3D mapu. Jeho navigácia je doplnená o

kameru, ktorá môže slúžiť aj ako webová kamera. Majiteľ robota sa tak prostredníctvom

počítača môže na vysávač pripojiť a skontrolovať stav svojho bytu.

Robot dokáže pracovať na jedno nabitie 50 minút. Krátko pred vybitím sa vráti k

svojej základňovej stanici a nabije si akumulátory. Na prístroji možno nastavovať požado-

vaný čas čistenia, disponuje aj diaľkovým ovládaním.

Dokáže vysávať plochu viacerých izieb naraz a pamätá si, kde sa v byte nachádza.

Dokáže prejsť aj cez prahy a ďalšie, nižšie prekážky.

Obr. 2.6 Samsung VC-RP30W


19

Využite kráčajúcich robotov

Využívajú sa hlavne na pohyb v členitom prostredí kde plnia rôzne úlohy. Ide

o prieskumné, úžitkové, experimentálne, atď. .

Výskum

Genghis bol 1kg autonómny 6 nohý robot s 12 servomotormi s 2 stupňami voľnosti,

mal 4 osembitové mikroprocesory a pamäť 32 Kb. Taktiež mal 2 senzory na spodnej strane

(vpredu i vzadu) a koliesko, ktoré meria pohyb smerom vpred alebo vzad.

Riadiaci systém Genghisa bol založený na subsumpčnej architektúre, a učenia sa

vychádzalo z učenia typu reinforcement learning. Na realizáciu tohto typu učenia slúžili

Genghisovi dve vrstvy, ktoré zabezpečovali kladnú a zápornú spätnú väzbu:

� Zápornú spätnú väzbu dostal robot vždy vtedy, keď ľubovoľný z dvoch spodných

senzorov zaregistroval dotyk tj. robot sa dotkol zeme svojím "telom".

� Kladná spätná väzba sa aktivizovala vždy v prípade, ak trakčné koliesko zaregistro-

valo pohyb smerom vpred alebo vzad.

Obr. 2.7 Robot Genghis

Ďalšie vrstvy predstavovali:

� 12 pohybov pre 6 nôh (pre každú nohu dva typy pohybov) a to - smerom vpred

(robot zodvihne nohu posunie ju vpred a položí znovu na zem) a smerom vzad.

� Aktívne udržiavanie rovnováhy. Robot sa totiž musel sám naučiť chodiť vpred a

udržiavať pritom rovnováhu. Rovnováha preto tvorila samostatnú vrstvu, sumujúcu

horizontálne uhly robota a posielala korekčný signál s cieľom redukovať sumu uhlov na 0.


20

Na základe všetkých uvedených reflexov sa robot učil, ako sa má za akých

podmienok zachovať tj. kedy má byť ktorá vrstva aktívna. Výsledkom experimentov s

týmto robotom bolo, že sa robot naučil držať vždy tri nohy na zemi aby udržal rovnováhu a

dokázal sa naučiť kráčať vpred i vzad [e5].

Domácnosť

Asimo je humanoidný robot vyvinutý v roku 2000 spoločnosťou HONDA. Jeho

názov súvisí s Isaacom Asimovom, tvorcom troch zákonov robotiky. Oficiálne je skratkou

pre „Advanced Step in Innovative Mobility“.

Jeho vývoju predchádzali práce na robotoch P1, P2 a P3. Jeho vzhľad pripomína

kozmonauta v bielom skafandri s prilbou s čiernym priezorom a dýchacím prístrojom na

chrbte [e4].

Obr.2.8 Robot Asimo

Zábava

AIBO pripomína skutočného psa v brnení. Má osemnásť kĺbov, čiže aj osemnásť

stupňov voľnosti. Vidí pomocou CCD kamery, ktorú má uloženú v nose. Kamera má 0.18

Mpx a pomocou nej rozoznáva AIBO aj farby a dokáže sa orientovať v priestore. Vyhýba-

cie manévre mu pomáha vykonávať infračervený senzor, ktorý je určený na meranie

vzdialeností. Počuje pomocou dvoch stereo mikrofónov, čo mu umožňuje súčasne aj

lokalizovať miesto, odkiaľ zvuk prichádza. Nemá implementovanú technológiu rozoznáva-

nia hlasu, a preto naň nereaguje. Rozoznáva tóny zo špeciálneho zvukového diaľkového

ovládača – sound commandera – alebo tóny klasických hudobných nástrojov. Softvér,

ktorý určuje model správania AIBO, je uložený v Memory Sticku, čo je typ flash pamäte,

vyvinutý firmou SONY. Na krku má tlačidlo, pomocou ktorého ho možno v prípade

nebezpečenstva vypnúť resp. aktivovať.


21

AIBO má zmysel pre stabilitu, takže dokáže rozoznať, keď sa nachádza na šikmom

povrchu, keď ho niekto prenáša, prípadne keď spadol, a dokáže zaujať správnu polohu. Na

tento účel má zabudovaný senzor priamej a uhlovej akcelerácie.

Robot disponuje umelou inteligenciou. Jeho výnimočnosť podľa SONY spočíva v

jeho autonómnom správaní. Pokiaľ sa mu nikto nevenuje, vykonáva svoj vlastný program.

V prípade, že je nablízku jeho pán, AIBO s ním interaguje. Disponuje simuláciou šiestich

emócií. Je to radosť, smútok, strach, zlosť, prekvapenie a prejav nevôle. Zabudované má

štyri inštinkty: lásku, hľadanie, pohyb a hlad. Hlad je reprezentovaný nutnosťou dobíjať

batérie [e3].

Obr. 2.9 Robot Aibo

Vojenské účely

Ariel je druh vojenského robota.

Je to úplne autonómny robot pripomínajúci kraba, ktorého vyvinula spoločnosť

iRobot. Má šesť nôh, na ktorých sa pohybuje. Vďaka takejto konštrukcii je schopný prejsť

aj po veľmi komplikovanom teréne na miesta, kam by sa kolesové alebo pásové vozidlá

nedokázali dostať. Jeho hlavnou funkciou je vyhľadávanie mín na súši a najmä v mori a

ich zneškodňovanie. Stratégia skupín robotov, ktoré majú navzájom spolupracovať, je

vyhľadať míny, uložiť ich na najvhodnejšie miesto, ktoré starostlivo vybrali vopred, utiah-

nuť sa do bezpečia a nechať míny vybuchnúť. Robot je konštruovaný tak, aby bolo jedno,

či pracuje v normálnej polohe alebo otočený „hore nohami“. Každá jeho noha má dva

stupne voľnosti. Prenášať môže míny s maximálnou hmotnosťou 6 kg a operovať môže až

do hĺbky 8 m.


22

3 Prehľad súčasného stavu v oblasti riadenia mobilných robotov

Ako bolo popísané v kapitole vyššie je možné MR deliť z rôznych hľadísk. Pre

zmapovanie oblasti stavu riadenia MR bolo vybraté delenie podľa spôsobu pohybu MR.

3.1 Spôsoby riadenia kolesových robotov

Riadiaci subsystém má za úlohu riadenie pohybu a zvolenie optimálnej dráhy,

pokiaľ možno, v čo najkratšom čase. Poznáme nasledovné spôsoby riadenia MR.

� diferenčne riadené roboty – majú nezávisle poháňané dve kolesá a vpredu (príp.

vzadu) majú voľne otočné, nepoháňané smerové koleso (kolesá). Výhodou je možnosť

otočenia sa na mieste okolo zvislej osi prechádzajúcej stredom rozchodu kolies.

� roboty s viacerými stupňami voľnosti – majú uprostred dve riadené a poháňané

kolesá, vpredu a vzadu po dve voľne otočné nepoháňané pomocné kolesá. Tento typ robota

sa dokáže otáčať podobne ako diferenčne riadený MR, dokáže sa ale pohybovať aj do

strany.

� synchrónne riadené roboty – tento typ podvozku má tri alebo štyri kolesá, všetky

poháňané tak, že všetky kolesá majú navzájom rovnakú rýchlosť a natočenie, pričom sa

používa jedna spoločná reťaz na poháňanie a jedna na natáčanie. Výhodou je menšia

zložitosť konštrukcie z hľadiska vnútornej geometrie a vyššia manévrovacia schopnosť.

Nevýhodou je ale malá schopnosť prekonávania nerovností povrchu a prekážok.

� kolesové roboty riadené Ackermanovým spôsobom – v tomto prípade je viac

možností prevedenia. Princíp spočíva v tom, že osi všetkých kolies (riadených aj

neriadených) sa počas zatáčania pretínajú v jednom bode, ktorý tvorí aj stred otáčania

mobilného robota.

3.2 Spôsoby riadenia kráčajúcich robotov

Poznáme dva spôsoby riadenia kráčajúcich robotov a to sú:

� Centralizovaný spôsob riadenia chôdze, založený na hierarchickej štruktúre prvkov.

Informácie o pozícii nôh a rozložení hmotnosti sú získavané zo snímačov v nohách, ďalej

sú predávané do centrálneho riadiaceho systému. Tu sú hromadne spracovávané

informácie pre všetky nohy, rozdelené inštrukcie pre ďalší krok a zmenu pozícii každej

nohy zvlášť.


23

� Decentralizovaný, využíva posledné štúdie chôdze zvierat, najmä hmyzu. Nie je tu

centrálny riadiaci systém, pričom sa rozhodovacia činnosť prenáša na jednotlivé nohy.

Každá noha má potom vlastnú riadiacu jednotku, ktorá riadi pohyb nohy na základe

pozície „vlastnej“ nohy, tak aj pozície a pohybu ostatných nôh. Riadiace informácie teda

neprichádzajú z riadiaceho centra, ale sú získavané z dynamických interakcií medzi

jednotlivými nohami.


24

4 Rozdelenie senzorov (snímačov)

Senzor je funkčný prvok tvoriaci vstupný blok meracieho reťazca, ktorý je

v priamom kontakte s meracím prostredím. Pojem senzor je ekvivalentný pojmu snímač.

Citlivá časť senzoru sa občas označuje aj ako čidlo. Snímač je priamym zdrojom informá-

cie snímania. Sleduje fyzikálnu, chemickú alebo biologickú veličinu a pomocou určitého

definovaného princípu ju transformuje na meraciu veličinu, najčastejšie na veličinu elek-

trickú. Ďalej existujú snímače, u ktorých je neelektrická veličina priamo transformovaná na

číslicový signál [1].

Použité snímače môžu plniť mnoho funkcií, a však z pohľadu MR sú významné

hlavne snímače slúžiace na navigáciu a diagnostiku MR. Takýmito snímačmi by mal byť

vybavený každý MR.

U MR môžeme snímače rozdeliť do dvoch základných skupín podľa vzťahu okolia

na MR. Sú to snímače interné (vnútorne) slúžiace k meraniu parametrov subsystému

robota. Pre diagnostické účely sú to napr. stav batérie, monitorovanie komunikácie,

kontrola teploty robota. Pre navigáciu sú to informácie o akčnom subsystéme, čo je poloha,

rýchlosť a zrýchlenie jednotlivých pohonov alebo výstupných členov (kolies, pásov, atď.).

Externé (vonkajšie) snímače slúžiace k získavaniu informácii o okolí robotu, pre účely

navigácie sú to najmä informácie o polohe a orientácii robota v globálnom súradnicovom

systéme a rozmiestnenie objektov v jeho okolí.

Medzi tie najjednoduchšie môžeme zaradiť snímače potrebné pri detekcii preká-

žok, ktoré sú reprezentované buď dotykovými snímačmi, alebo bezdotykovými snímačmi

(typickými predstaviteľmi tejto skupiny sú IR snímače a ultrazvukové snímače). Ich

úlohou je zabrániť kolízii s objektmi v okolí MR prípadne udržovať požadovanú vzdiale-

nosť od týchto objektov. Ide vlastne o lokálnu navigáciu, ktorá je pri pohybe MR nahra-

dená globálnej. Snímače poskytujú v tomto prípade riadiacemu systému informácie o tvaru

a rozmiestnení objektov v okolí MR.

Ostatné typy snímačov sú špecifikované podľa požiadavky konkrétneho využitia

MR (napr. meranie teploty okolia, analýza plynov, atď.).

Snímače môžeme rozdeliť do týchto skupín:

� Dotykové

� Bezdotykové


25

Ďalej na:

� Interné – meracie parametre robota

� Externé – meracie parametre okolia robota

� Kognitívne – pre vnímanie informácií z okolitého prostredia na baze ľudských

zmyslov

4.1 Interné snímače

Interné snímače poskytujú robotu informácie o jeho subsystémoch. Pre diagnos-

tické účely sú to napr. stav batérie, monitorovanie komunikácie, kontrola teploty robota.

Pre navigáciu sú to informácie o akčnom subsystéme, čo je poloha, rýchlosť a zrýchlenie

jednotlivých pohonov alebo výstupných členov (kolies, pásov, atď.). Na základe týchto

informácii je schopný riadiaci systém pomocou kinematického modelu určiť vplyv týchto

hodnôt na pohyb MR. Ide hlavne o snímače slúžiace na meranie natočenia, rýchlosti

a zrýchlenia.

4.1.1 Snímače natočenia

Ako prvá podskupina interných snímačov sú snímače slúžiace na meranie natoče-

nia. Jedná sa hlavne o zmenu natočenia akčných členov. Môžu byť v prevedení analógo-

vom alebo digitálnom. Analógové využívajú k meraniu zmeny elektrické veličiny. Podľa

toho ich delíme na odporové, indukčné a kapacitné. Analógové snímače slúžia na meranie

obmedzeného uhlu natočenia a preto je ich použitie u MR obmedzené.

Viacej sa používajú digitálne snímače hlavne pre ich neobmedzený rozsah meraného nato-

čenia a bezdotykový spôsob merania. Podľa metódy merania natočenia ich môžeme

rozdeliť na prírastkové (inkrementálne) a absolútne.

Zo skupiny analógových snímačov natočenia je to hlavne predstaviteľ indukčného

spôsobu merania natočenia označovaný ako Selsyn.


26

Selsyny

Používajú sa hlavne na meranie natočenia. Pozostávajú zo statorových a rotorových

vinutí. Selsyn má trojfázové vinutie statoru a jednofázový rotor. Dvojica Selsynov zapoje-

ných zo spoločným rotorom a prepojenými statorovými vinutiami funguje ako „ ohybný

hriadeľ “ pre prenos uhlovej polohy z vysielajúceho miesta na indikátor.

Keďže ide o zastaraný spôsob merania natočenia v novodobej tvorbe MR sa už

nevyužívajú. Namiesto nich sa vo veľkom používajú inkrementálne snímače [1].

Inkrementálny snímač

Inkrementálne snímač sú používané vo spätnoväzbových systémoch riadenia

polohy, rýchlosti a prípadne zrýchlení v rozsahu aplikácií od periférií počítača, cez

priemyslové roboty až po zdravotnícku techniku.

Inkrementálne snímače sú charakteristické svojou vysokou rozlišovacou schopnos-

ťou, malými rozmermi a nízkou hmotnosťou. Názov inkrementálny, je zobraný z princípu

činnosti, založenom na otáčavom medzikruží s pravidelne sa striedajúcimi priehľadnými

a nepriehľadnými ryskami, ktoré pri otáčaní prerušujú emitované svetlo LED diódy

umiestnenej na jednej strane tohto medzikružia viď obr. 4.1. Toto svetlo je detekované

fototranzistorom, umiestneným na druhej strane medzikružia oproti LED dióde. Do optic-

kej cesty medzi zdrojom a prijímačom svetla sa u väčšiny snímačov namontovaný ešte

nepohyblivý maskovací kotúč s ryskami o rovnakom rozstupe, ako má kotúč pohyblivý.

1 – zdroj svetla,

2 – kotúč,

3 – hriadeľ,

4 – fotoelektrický snímač

Obr. 4.1 Princíp optického inkrementálneho snímača s upraveným výstupným signálom

a zo zmenou zmyslu otáčania


27

Svetlo zo zdroja prechádza cez priehľadné rysky pohyblivého kotúča. Ak sú

v zákryte priehľadne rysky pohyblivého kotúča s priehľadnými ryskami segmentu pevného

maskovacieho kotúča, dopadá na fotosenzor maximálny svetelný tok. V prípade že, sú

v zakryte priehľadné rysky pohyblivého kotúča s nepriehľadnými ryskami segmentu nepo-

hyblivého kotúča, svetlo neprechádza a svetelný tok na fotosenzor je minimálny. Medzi

týmito dvomi polohami sa svetelný tok mení priamo úmerne posunutím obidvoch kotúčov.

Výstupný signál fotosenzora má periódu nepriamo úmernú počtu rysiek na otáčku

a rýchlosti otáčania pohyblivého kotúča. Tento kvázi-sinusový signál je komparátorom

prevedený na obdĺžnikový priebeh.

Ak je potrebné rozlíšiť aj smer otáčania, musí byť maskovací kotúč snímača polohy

vybavený druhým segmentom s ryskami posunutými voči ryskami prvého segmentu o uhol

α . K tomuto segmentu pripadá druhý fotosenzor, ktorý sníma fázové posuny svetelného

toku. Signál z prvého fotosenzora sa označuje A, signál z druhého fotosenzora B.

Dekódovaním zmeny fázy týchto dvoch signálov A a B získame informáciu o zmene

smeru otáčania. Najčastejšie býva kotúč doplnený jedným otvorom (priehľadnou ryskou),

ďalším zdrojom svetla a fotosenzorom, dekódujúcim tzv. počiatočnú (referenčnú, nulovú)

pozíciu a generujúci jeden impulz na otáčku. Tento impulz sa nazýva nulový alebo refe-

renčný. Okrem využitia tohto signálu na nastavenie začiatočnej polohy, je možné využiť

tento signál pre detekovanie prípadne akumulovanie chyby polohy spôsobenej rušivými

signálmi v rámci jednej otáčky.

Medzi inkrementálne snímače patrí aj senzor využívajúci Hallový efekt - Obr.4.2.

Obr. 4.2 Magnetický snímač s Hallovým efektom na snímanie otáčania


28

Pokiaľ pôsobí na vodivý materiál, ktorým preteká prúd, magnetická indukcia,

vzniká na bokoch tohto materiálu tzv. Hallove napätie. Obr. 4.2 zobrazuje aplikáciu

Hallovho snímača pri snímaní otáčania hriadeľa motora. Hustota impulzov generovaných

takýmto snímačom na jednu otáčku hriadeľa motora je v prípade malých rozmerov

magnetických diskov obmedzená.

Absolútny snímač

Tento typ snímačov využíva komplikovanejší dekódovania ako inkrementálny

a vyžaduje väčší počet snímacích prvkov. Prednosťou tohto snímača je to, že výstupná

hodnota sa zo snímača udáva v absolútnej veľkosti natočenia v rozsahu 0 až 360°. Pre

väčší počet otáčok je vybavený čítačom inkrementujúcim počet otáčok kódovacieho

kotúča. Obsah tohto čitača spolu s kódom aktuálnej pozície kódovacieho kotúča tvorí

absolútny údaj o polohe natočenia. Princíp kódovania spočíva v tom, že zväzok optických

lúčov je kódovaný kódovacím kotúčom . Zakódovaný zväzok dopadne na detektor, ktorého

výstup je priamo v binárnej hodnote.

Obr.4.3 Prevedenie absolútneho snímača natočenia

Vlastný kódovací kotúč existuje v niekoľkých podobách – viď obr.4.4. Ich funkcia

je totožná, ľavý variant (obr.4.4a) miesto klasického binárneho kódovania využíva Grayov

kód. Jeho výhodou je väčšia odolnosť voči chybám, pretože kód susedného čísla sa vždy

líši v maximálne v jednom bite [3].


29

Obr. 4.4 Kódové kotúče absolútneho senzoru natočenia

Využitie snímačov natočenia pri konštrukcii MR

Pri konštrukcii MR sa využívajú najmä inkrementálne snímače natočenia, ktoré

dokážu merať aj rýchlosti a zrýchlenia. Je to hlavne kvôli ich malým rozmerom

a všestrannom využití.

4.1.2 Otáčkomery

Sú to snímače určené k meraniu rýchlosti otáčania. Pre pohony robotov sa

najčastejšie využívajú indukčné a impulzné otáčkomery. V indukčnom prevedení sa

najčastejšie využívajú elektrodynamické otáčkomery.

Elektrodynamické otáčkomery

Podľa výstupného napätia sa rozdelujú na tachodynama (jednosmerné) a tacho-

alternátory (striedavé).

Tachodynamo je malý komutátorový motor s pernamentnými magnetmi

a výstupným napätím priamo úmerným rýchlosti. Ukazovateľom kvality je zvlnenie napä-

tia vplyvom konečného počtu lamiel komutátora, tuhosť spojenia s motorom a moment

zotrvačnosti rotoru tachodynama.

Umiestnenie týchto senzorov na pohone je v prípade použitia prevodovky vhodnej-

šie na strane motora.


30

Impulzné otáčkomery

Počet otáčok rotujúceho hriadeľa možno merať aj tak, že upevníme na obvode

jeden, alebo viac kontaktov. Počet impulzov na kontaktoch bude úmerný obvodovej

rýchlosti rotujúceho hriadeľa. Meracie impulzy možno snímať mechanicky, magneticky,

indukčne, fotoelektricky alebo kapacitne. Impulzné otáčkomery sa v praxi používajú pre

veľmi presné merania otáčok.

Optické impulzné snímanie otáčok.

Pre presné snímanie sú vhodné opísané optické mriežky. Pre vyššie nároky, resp.

vyššie otáčky stačia jednoduchšie systémy, obvykle reflexné.

Systém s optovláknami je naznačený na obr. 4.5. Zo svietiacej LED diódy je

vyžarované rovnobežné smerované svetlo, ktoré presvecuje všetky segmenty kódovacieho

kotúča. Pomocou fotoelementov je prijímané modulované svetlo, ktoré je prevedené do

dvoch sínusových signálov posunutých o 90 stupňov. Digitalizačnou elektronikou sú

signály zosilnené a premenené na pravouhlé impulzy, ktoré sú potom vysielané káblovým

budičom na výstup.

Obr. 4.5 Schéma snímača s optovlaknami


31

Výstupný signál má približne obdĺžnikový priebeh, frekvencia je úmerná uhlovej

rýchlosti a počtu odrazových plôšok na obvode. Systém je vhodný pre zle prístupné miesta,

lebo optovlákna môžu byť pomerne dlhé, ohnuté a v tenkom zväzku. Počet impulzov je

mierou pre ubehnutú cestu (uhol nebo dráhu).

Využitie otáčkomerov pri tvorbe MR

V dnešnej dobe sa využívajú inkrementálne snímače rýchlosti. Je to vlastne inkre-

mentálny snímač natočenia pridaním časti na detekovanie rýchlosti otáčania pohyblivého

kotúča.

4.2 Externé snímače

Slúžia k získaniu informácii o okolí robota. Podľa spôsobu merania ich môžeme

rozdeliť do dvoch základných skupín snímačov sú to:

� pasívne, vyhodnocujú len prijaté žiarenie z okolia

� aktívne, vyhodnocujú vlastné odrazené žiarenie

Z hľadiska robota sú významne hlavne tie snímače, ktoré slúžia na jeho navigáciu.

Navigácia môže byť globálne a lokálna. Úlohou globálnej navigácie je zistiť polohy

a orientácie robota voči použitému globálnemu súradnicovému systému. Lokálna navigácia

je nadradená globálnej. Na zistenie polohy prekážky sa využívajú najmä tieto typy

snímačov:

� Kontaktné snímače

� IR snímače (snímače využívajúce infračervené žiarenie)

� Ultrazvukové snímače (snímače využívajúce ultrazvuk)

� Laserové snímače (snímače využívajúce laserové žiarenie)


32

4.2.1 Kontaktné snímače

Aktiváciou spínača, dotykom prekážky dôjde k zopnutiu alebo rozopnutiu elektric-

kého obvodu a k zmene logickej úrovne, ktorá je ďalej vyhodnocovaná. Takto koncipo-

vané pripojenie kontaktných snímačov vyžaduje napojenie každého snímača oddelene (viď

obr.4.6). Ak nie je spínač aktívny, je na príslušnom výstupe vysoká logická úroveň. Takto

zvolené úrovne dovoľujú napojenie vstupu priamo na prerušovaci vstup daného mikro-

kontroléra (mikroprocesora).

Obr. 4.6 Zapojenie kontaktného snímača s napájaním každého snímača zvlášť

Snímače môžeme pri obmedzenom počte binárnych vstupov zapojiť cez multiple-

xor. Postupným adresovaním jeho vstupov testujeme jeho jednotlivé snímače. Pre takto

koncipované zapojenie snímačov potrebujeme mať k dispozícii jeden binárny vstup

(výstup multiplexora) a n binárnych výstupov pre adresovanie jedného z 2n vstupov

multiplexora. Týmto zapojením je možné rozlíšiť aj súčasne aktivovaných viacerých

snímačov.

obr. 4.7 Zapojenie dotykového senzora ako odporový delič


33

Medzi kontaktné snímače patria tiež tenzometre a snímače založené na

piezoelektrickom jave. Tieto typy snímačov poskytujú spojitý signál a používajú sa napr.

pri konštrukcii 3D rukavíc, tenzometre je možné osadiť na nohu kráčajúceho robota a ním

detekovať napr. zaťaženie, prípadne kolíziu s prekážkou[3].

Využitie kontaktných snímačov pri stavbe MR

Ich použitie je na prerušenie obvodov pri kontakte s prekážkou. Ide vlastne o

poslednú možnosť ochrany MR pred narazením do prekážky. Majú len ochranný charakter,

keď zlyhá všetka detekcia prekážok. Na detekciu prekážok sa využívajú infračervené (IR),

ultrazvukové a laserové snímače.

4.2.2 Infračervený snímač

Existujú dva spôsoby práce IR snímačov. Prvý spôsob je založený na princípe

detekcie prekážky. Druhý spôsob je založený na triangulácii IR lúča.

Spôsob merania IR detektora prekážok

Infračervený detektor prekážok (IR detektor/snímač) mám slúži na detekovanie

prekážok v blízkom okolí robota – rádovo desiatky centimetrov. Tieto detektory sú citlivé

v oblasti vlnových dĺžok pod viditeľným svetlom, najčastejšie okolo vlnovej dĺžky 880nm.

Princípom IR detektora prekážok je detekcia odrazeného infračerveného svetla od

prekážky. Toto svetlo je emitované infračervenou (ďalej IR) LED diódou. Ako detektor

býva použitý fototranzistor citlivý i infračervenej oblasti (IR tranzistor), alebo IR fotocit-

livá dióda.

Obr. 4.8 Princíp činnosti IR snímača


34

Tento snímač poskytuje dvojhodnotový signál (detekuje odrazený IR signál, alebo

nedetekuje odrazený IR signál respektíve detekuje prekážku, alebo ju nedetekuje ).

Nevýhodou IR snímačov pracujúcich na princípe detekcie odrazeného IR svetla je, že

množstvo odrazeného svetla je závislé od farbz prekážky a druhu povrchu.

Intenzita emitovaného (a samozrejme aj odrazeného) IR svetla je nepriamo úmerná

druhej mocnine vzdialenosti.

V praxi je spravidla IR fototranzistor nahradený, respektívne doplnený

špecializovaným IR prijímačom s integrovaným demodulátorom (ako napr. Sharp

GP1U52X, Siemens SFH506, SFH5110 a pod.). Výhodou týchto modulov je, že sú citlivé

na modulované IR žiarenie o určitej vlnovej dĺžke generované IR LED diódou (vysiela-

čom). Modulačný kmitočet býva najčastejšie 36, 38, 48 a 56 kHz. Dôvodom použitej

modulácie je emitovaný vplyv IR žiarenia s okolitého svetla. Modulovanie IR žiarenia je

možne riešiť buď hardvérovo, alebo softvérovo[1].

Spôsob merania založený na triangulácii

Princípom IR snímača je vyhodnotenie polohy dopadu odrazeného infračerveného

svetla od prekážky na IR citlivej LED dióde. Toto svetlo je emitované infračervenou (ďalej

IR) LED diódou. Ako detektor býva použitý fototranzistor citlivý v infračervenej oblasti

(IR tranzistor), alebo IR fotocitlivá dióda. Meraný odraz lúča je úmerný vzdialenosti od

prekážky a vzdialenosti dopadu na IR detektor (IR citlivá LED dióda). Meranie je teda

založené na vzdialenosti dopadu odrazeného lúča na detektor a nie od intenzity odrazeného

lúča, ako je to u ostatných IR snímačov [3].

Obr. 4. 9 Princíp činnosti IR snímača založený na triangulácii


35

Využitie IR snímačov pri stavbe MR

Ich využitie je na detekciu prekážok na krátke vzdialenosti (niekoľko desiatok

centimetrov). Používajú sa ako doplnok k ultrazvukovým alebo laserovým snímačom.

4.2.3 Ultrazvukové snímače Princíp merania vzdialenosti k prekážke je založený na princípe merania doby

medzi vyslaním signálu a prijatím odrazeného akustického signálu - echa. Najbežnejšia

frekvencia akustického signálu sú hodnoty nad 40 kHz. Vďaka relatívne nízkej rýchlosti

zvuku (vo vzduchu) je doba medzi vysielaním a primaným signálu výrazne vyššia ako

u radarových, laserových a IR senzoroch. Preto je možné dosahovať relatívne vysoké

presnosti merania bez zvýšených nárokov na vyhodnocovacie obvody. Vďaka tomu je ich

cena pomerne nízka, ale perióda merania je dlhšia (0,1s).

Nevýhodou je vysoké utlmenie ultrazvukového signálu, čo prakticky umožňuje

dosah na desiatky metrov, bežne do cca 10 m. V dôsledku pomerne širokému rozptylu

signálu nie je možné prekážku detekovať celkom presne, čo sa týka jej uhlovej pozície.

Ďalej sa vyskytuje často jav tzv. krížový odraz. Ide o zaznamenanie odrazu signálu vysla-

ného iným snímačom. Ďalším problémom býva odraz ultrazvukového signálu, ktorý

dopadá na hladký povrch prekážky pod ostrým uhlom, nazýva sa aj zrkadlový odraz.

V takomto prípade sa signál odrazí ďalej v smere od snímača a späť sa odrazí až od

vzdialenejšej prekážky. Ultrazvukovým snímačom je potom detekovaná vzdialenejšia

prekážka.

Obr. 4.10 Princíp činnosti ultrazvukového snímača


36

Použitie ultrazvukových snímačov pri stavbe MR

Ich použitie u MR je hlavne na zistenie prekážky v okolí MR. Podobne ako lase-

rové snímače sa používajú na väčšie vzdialenosti niekoľko metrov.

4.2.4 Laserové snímače

Sú založené na rovnakom princípe ako vyššie uvedené ultrazvukové snímače. Na

rozdiel od ultrazvukového snímača vysielajú a spracovávajú laserové žiarenie. Ich výhoda

oproti IR snímačom je ich relatívne veľký dosah ( radovo 10 x viac ako IR snímače). Ich

veľkou nevýhodou je vysoká cena.

Princípy merania vzdialenosti je na dvojakom základe. Prvý je meranie času od

vysielania signálu až po jeho prijatie. Druhý je založený na princípe skladania svetelného

žiarenia.

Základným princípom snímačov využívajúcich skladania (interferencie) svetelného

žiarenia je v usporiadaní známom ako Michelsanov interferometer (1881).

Ide o princíp vyslania rozdielne polarizovaných laserových lúčov o približne rovnakej

frekvencii a ich následne sčítanie. Časová odozva medzi meracím a porovnávacím lúčom

nás informuje o hodnote vzdialenosti MR od prekážky.

Použitie laserových snímačov pri stavbe MR

V stavbe MR sa využívajú hlavne na zistenie vzdialenosti od prekážky na väčšiu

vzdialenosť rádovo niekoľko metrov. Snímače založené na interferencii sa používajú na

zistenie vzdialenosti a rýchlosti pohybujúceho sa predmetu.

4.3.Kognitívne Snímače

Využitie týchto senzorov je odvodené od ľudských zmyslov.

Sú to hlavne tieto snímače :

• Zrak - kamery

• Sluch - mikrofóny

• Hmat - tenzometre


37

• čuch - napr. plynové chromatografy, otvorené výbojky, špeciálne tranzistory s

organickou tenkou vrstvou

• chuť - napr. kvapalinový chromatograf

Do tejto skupiny možno zaradiť aj proximitné snímače, radar, merač vzdialenosti.

V našom prípade sa jedná hlavne o Web kameru využitú, ako snímač okolia MR.

4.3.1 WEB Kamera

Dnešnej dobe je dosť využívaná hlavne na vizualizáciu prostredia v ktorom sa MR

nachádza. Ide o bezdrôtový prenos obrazu pomocou Wifi, IR, Bluetooth atď. prenosov.

Vlastnosti web kamery

- Digitálna kamera využíva „tok videa“, t. j. následnosť statických digitálnych obrázkov

zosnímaných jednoduchou kamerou (fotoaparátom).

- Kamera pošle tok obrázkov na server, server tieto obrázky zobrazí. Obrázky sú

periodicky obnovované.

- Jednoduchá kamera pozostáva z obyčajnej kamery (fotoaparátu) pripojenej k počítaču.

- Kamera používa softvér, ktorý sa pripojí na kameru a periodicky stiahne jednu snímku.

Softvér potom prevedie obrázok do normálneho JPG formátu a nahrá tento obrázok na

server.

- Pripojenie web kamery k PC môže byť pomocou USB kábla alebo IP pripojenie [e7].

Obr.4.11 MICRONET IP kamera SP5530W


38

Na obr. 4.11 je bezdrôtová IP kamera SP 4430W, ktorá obsahuje funkciou

sledovania a počúvania. Detekcia pohybu, otáčanie a naklápanie kamery podľa potreby,

nahrávanie videa do MPEG4, mikrofón pre prenos zvuku, e-mail notifikácia. Štandart

IEEE 802.11b/g, prenos 54Mb, video rozlíšenie 640x480, 1/3" CMOS senzor, objektív 2.8

alebo 4.5mm, 30 fps, mikrofón s citlivosťou 62 dB [e8].

Využitie web kamier pri stavbe MR

Využitie web kamery je dvojaké. Po prvé na simuláciu funkcie kamery, t.j.

mapovanie bodov 3D scény do 2D obrazovej roviny. Vhodné na detekovanie prekážok

a zvolenie optimálnej trasy. Pri tomto použití je z praktického hľadiska dôležité, aby

kamera bola dostatočne citlivá, keďže sa nepoužíva žiadne prídavné svetlo. Druhé využitie

je vizuálne sledovanie prostredia a okolia MR pri ručnom riadení.


39

5 Návrh senzorického subsystému pre trojkolesový MR s diferenčným riadením

Ide o školský prototyp trojkolesového MR s diferenčným riadením, ktorého úlohou

je otestovať navrhnuté riadenie, pohony a snímače. MR pozostáva s viacerých subsy-

stémov, ktoré sú na sebe závislé (obr. 5.1). Pri návrhu senzorického subsystému preto treba

brať do úvahy aj riadiaci, napájací, pohonový a komunikačný subsystém.

Obr. 5.1 Bloková schéma riadiaceho systému mobilného robot

5.1 Charakteristika trojkolesového mobilného robota

Podvozok je postavený na doske, čo je výhodné z hľadiska ľahšieho umiestenia

snímačov na MR. Doska je vyrezaná do požadovaného tvaru tak, aby spĺňala základné

kritéria kladené na tvar a veľkosť mobilného podvozku. Podvozok trojkolesového MR má

diferenčné riadenie. Má nezávisle poháňané dve zadné kolesá a voľne otočné nepoháňané

predné koleso. Jednosmerné pohonné jednotky EMG 30 sú cez prevodovku pripojené na

zadné kolesá [8].


40

Základné rozmery MR dĺžka x šírka x výška : 300 x 224 x 120 [mm]

Maximálna rýchlosť pohybu: vmax = 20 km/hod = 5,55 m.s-1

Polomer zatočenia : 245 mm

Nosnosť MR : 3 Kg

Obr. 5.2Trojkolesový diferenčne riadený mobilný robot

5.2 Návrh senzorického subsystému pre trojkolesový mobilný robot

Návrh senzorického subsystému je komplexný proces, počas ktorého je potrebné

zvážiť množstvo faktorov, zohľadňujúcich nielen vlastnosti jednotlivých snímačov, ale aj

pracovné prostredie robota, možnosť vzájomnej interakcie snímačov, nároky na výpočtové

možnosti riadiaceho systému a pod.

Senzorický subsystém je možné rozdeliť na dve hlavné časti. Prvú časť tvoria

samostatné snímače a ich obslužné obvody. Druhá časť zabezpečuje komunikáciu sníma-

čov s ostatnými subsystémami robota. Táto časť je tvorená obvodmi rozhraní a zbernicou

vytvorenou pomocou rôznych prenosových médií. Pre MR je najvhodnejšie použiť elek-

trické vodiče. Komunikačné rozhrania je potrebné zvoliť tak, aby vyhovovali požiadavkám

z hľadiska počtu pripojených periférii a z hľadiska odolnosti proti rušeniu.

EMG 30

EMG 30

Zadné koleso

Pohonná jednotka

Predné nepoháňané voľne otočné koleso

Zadné koleso


41

Snímače je možné rozdeliť z hľadiska vzťahu k robotu na interné, zabezpečujúce

meranie vnútorných parametrov robota a na externé, merajúce parametre okolia robota.

Z uvedeného rozdelenia snímačov boli navrhnuté dve koncepcie návrhov

senzorického subsystému. Prvá koncepcia zahŕňa návrh interných snímačov. Druhá

koncepcia zahŕňa výber druhu a rozmiestnenia externých snímačov.

S ohľadom na všetky požiadavky boli navrhnute nasledovné varianty.

5.2.1 Návrh interných snímačov Ako bolo spomenuté v kapitole 4.1 interné snímače poskytujú robotu informácie

o jeho subsystémoch. Pre diagnostické účely sú to napr. stav batérie, kontrola teploty

robota, monitorovanie komunikácie. Pre navigáciu sú to informácie o akčnom subsystéme,

čo je poloha, rýchlosť a zrýchlenie jednotlivých pohonov alebo výstupných členov (kolies).

S ohľadom na využitie robota (pre školské účely) boli navrhnuté nasledovné typy

snímačov. Pre diagnostické účely sú to snímače stavu batérie a snímač natočenia kolesa.

Ako snímač stavu batérie je možné použiť množstvo komerčných obvodov. Je potrebné

zvoliť si správny snímač s ohľadom na možnosť komunikácie s riadiacim systémom

a spôsobom odosielania dát. Snímač by mal na riadiacom panely indikovať súčasný stav

batérie alebo aspoň upozorniť na nízky stav napätia batérie výstražným hlásením. Ako

snímač natočenia by bol použitý inkrementálny snímač natočenia. Dôvodom sú jeho malé

rozmery, ľahká obsluha, výstup v binárnom kóde a možnosť rozlišovať smer natočenia.

5.2.2 Návrh druhu a rozmiestnenia externých snímačov Ako externé snímače boli navrhnuté dva typy snímačov IR a ultazvukové, s dôvodu

ekonomického a účelového hľadiska. Pri návrhoch bol do úvahy braný tvar podvozku a

možnosť komunikácie jednotlivých snímačov z riadiacim systémom.

Rozmiestnenie snímačov na MR

Umiestnenie jednotlivých snímačov musí byť také, aby nedošlo k vzájomnému

ovplyvňovaniu jednotlivými snímačmi. Pokiaľ nie je možné vzájomnému ovplyvňovaniu

zabrániť, je to potrebné ošetriť obslužným programom. Riešenie spočíva v prepínaní

jednotlivých snímačov tak, aby nefungovali súčasne len tie snímače, ktoré sa navzájom

ovplyvňujú. Doba medzi vypnutím jedného snímača a zapnutím snímača druhého musí byť


42

dostatočne dlhá na to, aby dozneli všetky odrazy z prvého snímača, ktoré by mohli

ovplyvniť nameranú hodnotu druhým snímačom.

Návrh č.1

Návrh vychádza z predpokladu, že MR sa pohybuje po rovinných priestoroch

(dielňa, učebňa alebo chodba). Pri pohybe sa musí vyhýbať rôznym prekážkam a zatáčať

do zákrut.

Obr. 5.3 Rozmiestnenie snímačov na MR návrh1

Z tohto dôvodu MR disponuje dvomi skupinami snímačov. Prvá skupina

zabezpečuje ochranu pred kolíziou. Druhá skupina slúži na detekciu prekážok v okolí MR.

Táto skupina obsahuje dva druhy snímačov (ultrazvukové snímače a IR snímače).

Ochranu pred kolíziou zabezpečuje osem kontaktných snímačov. Ich počet bol

zvolený aj s ohľadom na pripojenie k mikrokontroléru, kde budú obsadzovať práve jeden

port. Snímače sú rozmiestnené takým spôsobom, aby bolo zabezpečené čo možno najlepšie

pokrytie obvodu robota. Nekryté však zostávajú zadné kolesá. Snímače sú pripojené na

nárazník, ktorý je rozdelený na dve časti. Prvá časť kopíruje predné zaoblenie. Druhá časť

nárazníka pokrýva celú zadnú časť MR. Kontakt nárazníka s prekážkou sa prenesie na


43

snímač. Ako kontaktné snímače boli navrhnuté tzv. jazýčkové kontaktné relé. Sú to

kontaktné spínače, ktoré reagujú na magnetické pole v ich blízkosti. Namiesto jazýčkových

kontaktov sa môžu použiť napr. mikrospínače alebo indukčné spínače.

Snímanie blízkeho okolia MR zabezpečuje osem IR snímačov SHARP, typ

GP2D120 (snímače č. 1 – 8) s pracovným rozsahom 40 až 300 mm. Analógové výstupné

hodnoty je možné snímať priamo mikrokontrolérom Atmega16, ktorý má osem analógo-

vých vstupov. Výstupné napätie zo snímača je v rozsahu 0 až 5 voltov, čo umožňuje

priame pripojenie na mikrokontrolér bez úpravy, napr. napäťovým deličom. IR snímače

slúžia na detekciu blízkych prekážok. Na detekciu vzdialenejších prekážok sú určené

ultrazvukové snímače SRF 02.

Snímanie vzdialenejších prekážok je riešené ultrazvukovými snímačmi SRF 02

(snímače č. 9 a 10) s pracovným rozsahom 160 až 6000 mm. Snímače sú umiestnené

vpredu a vzadu. Prepojenie s riadiacim mikrokontrolérom je realizované pomocou zbernice

I2C. Toto pripojenie umožňuje plnohodnotnú komunikáciu s riadiacimi registrami snímača

SRF 02 a taktiež čítanie nameranej hodnoty.

Uvedená kombinácia použitých snímačov zabezpečuje zisťovanie priameho kon-

taktu s prekážkou (kontaktné snímače), detekciu prekážok na krátke vzdialenosti do

800 mm (infračervené snímače) a detekciu vzdialenejších prekážok do 6 000 mm

(ultrazvukové snímače).

Typy IR a ultrazvukových snímačov (GP2D120 a SFR02) boli navrhnuté s ohľa-

dom na ich cenovú dostupnosť a požadované technické parametre.

Návrh č.2

Tento návrh prináša koncepciu, ktorú je možné využiť pri zložitejšie členitom

teréne. Na rozdiel od návrhu 1 poskytuje lepšiu ochranu pred možnou kolíziou

s prekážkou. Pri realizácii tohto návrhu je nutné prispôsobiť dosku podvozku (zhotoviť

otvory na zadné kolesá, ktoré na rozdiel od návrhu 1 sú posunuté do vnútra MR ).


44

Obr. 5.4: Rozmiestnenie snímačov na MR návr2

Ochranu pred kolíziou zabezpečuje osem kontaktných snímačov. Ich počet sa zvolil

aj s ohľadom na maximálne možnú ochranu MR pred kolíziou zapríčinenou nedete-

kovaním prekážky ostatnými snímačmi. Snímače sú rozmiestnené po obvode robota tak, že

tvoria jeden celistvý nárazník. Umožnili to kryté zadné kolesá v doske MR. Čím sa zvýšila

bezpečnosť. Kontakt nárazníkov s prekážkou sa prenesie na snímač. Ako kontaktné

snímače boli navrhnuté tzv. jazýčkové kontaktné relé. Sú to kontaktné spínače, ktoré

reagujú na magnetické pole v ich blízkosti. Ako bolo spomenuté v návrhu 1 je možné ich

nahradiť mikrospínačmi alebo indukčnými spínačmi.

Snímanie okolia MR je zabezpečené dvomi typmi snímačov. Na snímanie blízkeho

okolia sú určené IR snímače a na vzdialenejšie prekážky ultrazvukové snímače.

Snímanie blízkeho okolia MR zabezpečuje osem IR snímačov SHARP, typ

GP2D120 (snímače č. 1 – 8) ako u návrhu 1.

Snímanie vzdialenejších prekážok je riešené ultrazvukovými snímačmi SRF 08

(snímače č. 9, 10, 11 a 12) s pracovným rozsahom 30 mm až 6000 mm. Snímače sú

umiestnené vpredu, vzadu a po bokoch MR.

MD 23

EMG 30

EMG 30

Hlavná riadiaca jednotka

Zdroj

Bluetooth

1

2

9

6

3

5

4

10

7

8

Ultrazvukovýsnímač

IR snímač

Kontaktnýsnímač

11

11


45

5.2.3 Popis jednotlivých vybratých snímačov

Pri návrhu boli použité dva druhy snímačov. Prvý sú kontaktné snímače založené

na magnetickom spôsobe, ktoré slúžia na ochranu pred nárazom. Druhý druh sú snímače

externé (Ultrazvukové a IR snímače), ktoré slúžia na detekciu prekážky v okolí MR.

Jazýčkové kontakty

Pri detekcií prekážok pomocou nárazníka využívam bezkontaktné magnetické

jazýčkové kontakty, pričom kontakt s prekážkou je medzi nárazníkom, pričom stlačením

pružiny sa nárazník posunie a magnet umiestnený na nárazníku magnetickým poľom zopne

jazýčkový kontakt na prislúchajúcej strane vozidla. Tieto jazýčkové kontakty sú

umiestnené v ochrannom plyne, aby na ne nepôsobili také vplyvy ako je prach, vlhkosť,

korózia, preto majú vysokú spoľahlivosť a dlhú životnosť.

Pracovný kontakt sa skladá z dvoch plochých kovových jazýčkov, vyrobených z

legovanej niklovej ocele. Tieto sú zatavené do sklenenej rúrky a nastavené tak, že ich

konce sú uložené proti sebe, ale v pokojovom stave sa nedotýkajú. Ochranným plynom je

zmes dusíka a kyslíka (zabraňuje iskreniu a opaľovaniu). Aby sa dosiahli lepšie kontaktové

vlastnosti, miesta kontaktov sú často pozlátené, alebo je na nich nanesená ortuť. Tieto

jazýčkové kontakty sa môžu vkladať do cievky, ktorou preteká prúd, ktorý vyvolá

magnetický tok, jazýčky sa zmagnetizujú, pritiahnu a vznikne kontaktný spoj.

Približovanie jazýčkov nie je plynulé, ako pri vťahovaní železných častí do magnetického

poľa, tesne pred dotykom sa kontakty náhle spoja. Sila pritiahnutia je pomerné veľká,

vyvolá dobrý kontaktný tlak a zabraňuje chveniu. Magnet je umiestnený na nárazník,

ktorý pri náraze na prekážku zdeformuje pružinu, a priblížením magnetu sa jazýčkový

kontakt zopne.

V prípade kontaktu snímač vyšle signál, ktorý sa spracuje vyvolá zastavenie

pohybu MR a vyvolá prerušenie všetkých bežiacich programov. Uvedený signál vyvolá

stop a MR sa zastaví a vypne, prípadne vyšle informáciu o kolízii [e9].


46

Ultrazvukový snímač SRF 02

Do predu aj do zadu boli zvolené ultrazvukové snímače od firmy Ultrasonic

s označením SRF 02 (obr. 5.8). Ide o jednodielny ultrazvukový snímač malých rozmerov

dosky plošného spoja.

Zvolený snímač SRF 02 pracuje na frekvencii 40 kHz.

Základné parametre:

pracovný rozsah: 16 cm až 6 m

napájacie napätie: 5 V, prúd 4 mA

spôsoby pripojenia: I2C zbernica, sériová linka UART (TTL úrovne)

Obr. 5.5 Ultrazvukový snímač vzdialenosti SRF 02

Veľkou výhodou je možnosť priameho pripojenia k riadiacemu systému zbernicou

I2C a jednoduchý spôsob čítania dát z jednotlivých registrov. Na jednej zbernici môže byť

pripojených maximálne 16 snímačov. Riadiace príkazy umožňujú, okrem iného, aj vysla-

nie samotného signálu bez prijímania odrazu a taktiež aj samotný príjem odrazeného

signálu bez predchádzajúceho vysielania. Týmto sa otvárajú možnosti prepojenia viacerých

snímačov a tým aj väčšie možnosti zmapovania blízkeho okolia MR. Vzhľadom na to, že

SRF 02 používa jeden menič na vysielanie aj príjem, je minimálna merateľná vzdialenosť

väčšia, ako pri duálnych ultrazvukových snímačoch. Výstupná nameraná hodnota môže

byť v troch tvaroch, a to v mikrosekundách, centimetroch a palcoch.


47

Snímač SRF 02 môže pracovať v dvoch režimoch. Prvým je režim komunikácie I2C a

druhým je režim sériovej komunikácie. Výber režimu sa realizuje pripojením pinu MODE

na zem (sériový mód) alebo na napájacie napätie 5 V.

Snímač SRF 02 pracuje dvoch stavoch. Najprv pracuje ako vysielač signálu a nasledovne

sa prepne do úlohy prijímača signálu.

Pri meraní treba zabrániť k interakcii jednotlivých snímačov. Ide o vzájomné

ovplyvnenie výsledku merania prijatím odrazeného signálu iným snímačom ako tým ktorý

ho vyslal. Interakcii sa dá zabrániť dvoma spôsobmi. Prvý je vhodným umiestnenie

snímačov na MR tak, aby sa navzájom neovplyvňovali. Nie vždy je to možné realizovať.

Druhý spôsob je softvérovo to ošetriť. Sú dve možnosti ako to zabezpečiť. Ako prvé je

umožnenie naraz vysielať a prijímať signál len tými snímačmi, ktoré sa navzájom

neovplyvňujú. Druhá možnosť je nastavenie dostatočne dlhej časovej odozvy medzi

jednotlivými meraniami snímačov. Je potrebné dbať aj na nastavenie časovej výdrže pri

prijatí odrazeného signálu, ktorá ba mala byť o niečo dlhšia, kvôli možným viacerým

obrazom [e10].

IR snímač GP2D120

Je potrebný prevod analógovej veličiny – napätia na digitálnu hodnotu A/D prevodníkom a

následný prepočet hodnoty na vzdialenosť.

Základné parametre IR snímača GP2D120:

pracovný rozsah: 4 až 30 cm

napájacie napätie: 5 V

rozsah výstupného napätia: 0,4 V ( vzdialenosť 300 mm) až 3 V (vzdialenosť 40

mm).

Obr. 5.6 IR snímač GP2D120

Jeho princíp merania vzdialenosti je založený na triangulácii v rozsahu 4 až 30 cm.

Princípom IR detektoru prekážok je detekcia odrazeného infračerveného svetla od


48

prekážky. Toto svetlo je emitované infračervenou (ďalej IR) LED diódou. Ako detektor

býva použitý fototranzistor citlivý i infračervenej oblasti (IR tranzistor), alebo IR fotocit-

livá dióda. Meraný odraz lúča je úmerný vzdialenosti od prekážky a vzdialenosti dopadu

na IR detektor (IR citlivá LED dióda). Meranie je teda založené na vzdialenosti dopadu

odrazeného lúča na detektor a nie od intenzity odrazeného lúča, ako je to u ostatných IR

snímačov [3].

Výstupná informácia o meranej vzdialenosti k prekážke je v číslicovej podobe

v rozsahu 0 - 255 v sériovom tvare ôsmych bitov. Snímač ide ľahko pripojiť priamo na

vstupno - výstupné porty mikrokontroléra.

Riadenie snímača GP2D120 je nasledovné. Na vstup snímača je privedená logická

úroveň log. 0, ktorá odštartuje vlastné meranie a podľa katalógového údaja má trvať

minimálne 70 ms. Po uplynutí tejto doby sú na tento vstup privedené hodinové impulzy

(celkovo osem), ktoré svojou nábehovou hranou potvrdzujú platnosť jednotlivých bitov

zmeranej vzdialenosti na výstupe obvodu snímača.

Pri meraní treba dbať aj na interakciu jednotlivých snímačov. Interakcii sa dá

zabrániť dvomi spôsobmi. Mechanicky, rozmiestneným snímačov, tak aby sa navzájom

neovplyvňovali. Prakticky sa to dá dosť ťažko dosiahnuť, preto sa vo väčšine prípadoch

využíva možnosť ošetriť to v programe snímača. Programovo, nastavenie dostatočne dlhej

doby oneskorenia medzi jednotlivými meraniami. Zabezpečí sa tým prijatie odrazeného

lúča, ktorého odraz bol niekoľko násobný a tým aj čas prijatia bol dlhší [e11].


49

6 Záver

Práca obsahuje stručný prehľad rozdelenia mobilných robotov nielen podľa

prostredia ale aj podľa pohybového subsystému mobilného robota. Ďalej prehľady

spôsobov riadenia a využitia mobilného robota, ako aj nové trendy vo vývoji mobilných

robotov. Pomerne veľký rozsah je zameraný na rozdelenie a využitie snímačov pri návrhu

a stavbe mobilného robota. V poslednej kapitole sú uvedené návrhy, ktoré riešia stručne

rozmiestnenie snímačov po obvode MR s výberom vhodného variantu na realizáciu. Boli

zostrojene 3D modely návrhov rozmiestnenia snímačov na MR, ktoré sú súčasťou CD

prílohy.

Úvodná časť obsahuje základné rozdelenie robotov do dvoch skupín a to na

sériové a paralelné stacionárne roboty. Ďalej obsahuje rozdelenie podľa prostredia a podľa

pohybového subsystému na mobilné roboty na kolesovom podvozku a kráčajúce roboty,

a ich využitie v jednotlivých odvetviach priemyslu a domácnostiach.

Ďalej sa venuje prehľadu súčasného stavu v oblasti riadenia mobilných robotov.

Uvedené sú štyri spôsoby riadenia kolesových robotov a dva spôsoby riadenia kráčajúcich

robotov.

Veľmi dôležitou častou práce je prehľad rozdelenia snímačov na interné, externé

a kognitívne. So stručným popisom princípov jednotlivých snímačov a ich využitie pri

stavbe a konštrukcii MR..

Cieľom práce bolo navrhnúť senzorický subsystém MR, z hľadiska rozmiestnenia

a druhu použitých snímačov na trojkolesovom podvozku s diferenčným riedením. Pri

navrhovaní bol použitý program Pro/Engineer Wildfire v3.0, v ktorom boli vytvorené 3D

modely jednotlivých návrhov rozmiestnenia snímačov.

V závere práce sú uvedené použité snímače s ich základnými parametrami. Na

ochranu pred kolíziou bol zvolený ako kontaktný snímač využívajúci jazýčkové relé. Na

detekciu prekážok boli zvolené dva druhy snímačov. Na snímanie blízkeho okolia slúžia

IR snímače typu GP2D120 a vzdialenejšie prekážky sú detekované ultrazvukovými

snímačmi SFR 02 sa dosahom až 3 m.

Práca vznikala súbežne s prácou, ktorej náplňou bolo navrhnúť riadiaci a pohonový

subsystém pre trojkolesový mobilný robot s diferenciálnym riadením.


50

7 Zoznam použitej literatúry

[1] Ďado, S., Kreidl, M.: Senzory a měřicí obvody, ČVUT 1999 ISBM 80–01–02057– 6

[2] KÁRNÍK, L. - KNOFLÍČEK, R. - MARCINČIN, J. N.: Mobilní roboty. MÁRFY

SLEZSKO, Opava, 2000, 212 s., ISBN 80-902746-2-5

[3] NOVÁK, P.: Mobilní roboty - pohony, senzory, řízení. BEN – technická literatura,

Praha 2005, 1 vydaní, ISBN 80-7300-141-1

[4] POTANČOKOVÁ, A.: Roboty majú pôvod v Československu. In: AT&P JOURNAL,

č.2/2003, ISSN 1335-2237

[5] HAJDUK, M., et al.: Pohľad na súčasný stav rozvoja robotiky. In: AT&P JOURNAL,

č.2/2003, ISSN 1335-2237

[6] Martinček,R., Senzory v průmyslové praxi. BEN– technická literatura, Praha 2004, 1

vydaní ISBN 80-7300-114-4

[7] ĎURICA, J.: Návrh riadiaceho systému pre školský hexapod. Žilina: Sjf ŽU, 2007,

Diplomová práca

[8] KUCIAK, J.: Konštrukčný návrh podvozku mobilného robota Žilina: Sjf ŽU, 2005,

Diplomová práca

Elektronické zdroje [e1] http://it_portal pcrevue_sk / Robotika v zdravotníctve [3804].htm

[e2] http://it_portal itnews_sk / Ďalší robot so zbraňou v „ruke“ [3302].htm

[e3] http://sk.wikipedia.org/wiki/Aibo - Robot Aibo

[e4] http://sk.wikipedia.org/wiki/Honda_Asimo - Robot Asimo

[e5] http://alife.tuke.sk/index.php?clanok=1153 Robot Genghis

[e6] http://www.elektronicke-systemy.sk/rusnak/automatizacia/prs/snimace-otacok.pdf

[e7] http://www.gphmi.sk/machova/hwsw/referaty/rada.doc - Web kamera

[e8] http://www.agem.sk/ - Web kamera


51

[e9] http://www.atpjournal.sk/atpplus/archiv/2005_6/PDF/plus64_70.pdf jazýčkové relé

[e10] http://www.robot-electronics.co.uk/htm/srf02techI2C.htm - Ultrazvukový snímač

SFR 02

[e11] http://www.dorukan.com/files/GP2D120-DATA-SHEET.pdf - IR snímač GP2D120

8 Zoznam príloh Príloha 1 Pohľady na 3D model podvozku MR Príloha 2 3D model návrhu 1 s rozmiestnením snímačov na mobilnom podvozku (obrázky) Príloha 3 3D model návrhu 2 s rozmiestnením snímačov na mobilnom podvozku (obrázky) Príloha 4 CD s 3D návrhom v ProE a vygenerované obrázky 3D pohľadov


52

Prílohy Príloha 1 Všeobecné pohľady na 3D model podvozku MR

Obr.1 3D model podvozku MR s základnými rozmermi - pohľad zdola

Obr.2 Všeobecný pohľad na 3D model podvozku MR


53

Príloha 2 3D model návrhu 1 s rozmiestnením snímačov na mobilnom podvozku (obrázky)

Obr.1 3D model návrhu č.1 s rozmiestnením snímačov

Obr.2 3D model návrhu č.1 s rozmiestnením snímačov - pohľad zo spodku


54

Príloha 3 3D model návrhu 2 s rozmiestnením snímačov na mobilnom podvozku (obrázky)

Obr.1 3D model návrhu č.2 s rozmiestnením snímačov

Obr.2 3D model návrhu č.2 s rozmiestnením snímačov - pohľad zo spodku

Documents

Žilinská univerzita Dipl omová práca KOAdiplom.utc.sk/wan/2338.pdf · 2008. 10. 27. · Žilinská univerzita Dipl omová práca KOA 6 1 Úvod Pod pojmom mobilný robot (ďalej